Um dos principais pontos de benefício ambiental com a utilização do OEC é a redução do volume de gases de exaustão já que o enriquecimento com O2 basicamente envolve a remoção de
nitrogênio na corrente do oxidante. Comparado com os sistemas que utilizam o ar atmosférico, o OEC reduzirá significativamente o volume de exaustos inseridos na atmosfera, a depender da fração de oxigênio no oxidante utilizada. Com a maior disponibilidade de oxigênio no oxidante, haverá um menor consumo de combustível, tornando os processos de combustão mais eficientes e por conseqüência menos poluentes.
Baukal Jr. (1998) relaciona também aspectos sobre a emissão de poluentes que são apresentados a seguir.
Óxidos de Nitrogênio (NOx).
A utilização do OEC produz efeitos antagônicos na formação de NOx (basicamente NO).
concentração de O2 aumenta na corrente do oxidante, a temperatura de chama tende a aumentar, e
isto acelera a formação de NOx, causada pela dependência exponencial da formação do NOx
térmico com a temperatura. Entretanto, em níveis maiores de enriquecimento (a partir de cerca de 70%), a concentração de N2 diminui drasticamente e por conseqüência a formação de NOx cai.
A formação de NOx também pode ser afetada com o projeto de queimadores. Novas
pesquisas devem ser implementadas para o maior entendimento dos efeitos causados pelas configurações de queimadores na formação do NOx.
Monóxido de Carbono (CO).
A formação de CO com o OEC tende a ser reduzida com o aumento do teor em volume do oxigênio no oxidante. O OEC promove uma queima mais completa do combustível impedindo a formação de CO.
Compostos Orgânicos Voláteis (VOC).
Os VOC são geralmente hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos, além de álcoois, cetonas, ésteres e aldeídos entre outros, tendo como característica pequena massa molar e/ou uma alta pressão de vapor na temperatura ambiente. VOCs típicos incluem o benzeno, tolueno, formaldeído e acetaldeído. É esperado que as emissões de VOC diminuam com o OEC, como resultado do aumento das temperaturas de chama, da menor diluição e aumento do tempo de residência na câmara de combustão. A eficiência da destruição e remoção dos VOCs tem aumentado drasticamente com o OEC. Em incinerados municipais de resíduos sólidos, as emissões de VOC diminuíram pelo uso de baixos níveis de enriquecimento com O2 no ar de
combustão, conforme descrito por Strauss et al. (1988).
Óxidos de enxofre, usualmente referidos como SOx possuem grande importância nas
emissões dos sistemas de combustão industrial. Segundo Baukal Jr. (1998) o uso do OEC não tem trazido normalmente mudanças nas emissões de SOx. Entretanto, como visto anteriormente, desde
que o volume de gases de exaustão é reduzido com o uso do OEC, a emissão de SOx será menor
em comparação aos sistemas que utilizam o ar atmosférico como oxidante.
Dióxido de Carbono (CO2).
OEC pode reduzir significativamente as emissões de CO2, graças ao aumento da eficiência
da energia disponível, a qual garante uma mesma quantidade de energia com um menor consumo de combustível. Segundo Farrell et al. (1996) a substituição de queimadores com ar, por equipamentos oxy-fuel em processos de fundição de metais, gerou uma redução de 55% na emissão de CO2.
Fuligem.
Idealmente, a fuligem é desejada no início da chama para implementar a transferência de calor por radiação térmica e ser destruída no fim da chama para não ser emitida para a atmosfera.
Baukal Jr. (1998) discute que o uso do OEC geralmente reduz a emissão da fuligem comparada aos queimadores com ar. Todavia novos projetos de equipamentos oxy/fuel ainda apresentam emissão de fuligem. Isso mostra que existe um campo aberto para o estudo do OEC na formação da fuligem e seu aproveitamento como fator importante para a implementação do desempenho energético dos queimadores, a partir do seu papel na radiação térmica. Brookes, S.J. e Moss, J.B. (1999) através do estudo de modelo computacional da predição da produção de fuligem e radiação térmica, confirmaram a relação íntima entre as taxas de produção da fuligem e a perda de calor da chama por radiação.
A seguir são apresentados alguns estudos da influência do enriquecimento por oxigênio do ar de combustão na formação da fuligem.
Lee et al. (2000) estudaram a influência do enriquecimento de chamas difusas de metano/ar pelo O2. O O2 foi injetado na corrente de ar, enriquecendo o ar para condições de 50 e 100% de
O2 em volume, para o ar considerado uma mistura de N2 e O21. Os autores verificaram redução
da produção da fuligem nas duas condições de enriquecimento sendo, a condição de 100% a que provocou maior redução.
Zelepouga et al. (2000) também verificaram a influência do enriquecimento com O2 no lado
do ar em chamas laminares difusas de metano. Desta vez, o parâmetro de avaliação foi à concentração radial integrada da fuligem. Os autores constataram uma redução na formação da fuligem para teores volumétricos de O2 no ar de 35, 50 e 100%. Os autores também constataram
que a concentração de fuligem seria menor para chamas com maior teor de O2 devido aos
menores comprimentos de chama, e, por conseqüência, pelos menores tempos de residência que estariam disponíveis para o crescimento da partícula da fuligem.
Em alguns trabalhos a variação do teor de O2 no lado do oxidante foi feita de tal forma que
os teores de O2 foram menores que o valor encontrado no ar atmosférico. Isto foi conseguido
considerando o ar como uma mistura de N2 e O2 sendo que nesta havia uma maior proporção
volumétrica a favor do N2. Esses trabalhos são dados a seguir.
Glassman e Yaccarino (1980) estudaram a influência da variação da concentração de O2 no
lado do oxidante na tendência à formação da fuligem em chamas de eteno. Os teores de O2
utilizados foram entre 9 e 50% (fração molar). Os autores verificaram que a tendência de formação da fuligem foi mínima para o teor em torno de 24%. Para teores menores do que 24%, o decréscimo do teor de O2 aumentaria a tendência de formação da fuligem, enquanto para teores
maiores do que 24%, o decréscimo diminuiria a tendência. Essas tendências foram explicadas
1 O ar atmosférico possui uma mistura aproximada de 21% de O
pela competição entre a taxa de pirólise do combustível com a oxidação da fuligem no domínio do processo.
Du et al. (1990) examinaram os efeitos da concentração de O2 no lado do oxidante sobre a
formação da fuligem em chamas de propano e eteno. Os autores concluíram que houve um aumento da concentração da fuligem com a variação da concentração de O2 entre 15 e 21% e este
efeito era devido ao aumento de temperatura ocorrido nesta variação.
Goldstein et al. (2002) verificaram a influência do teor de O2 no lado do oxidante em uma
chama pré-misturada. Os autores utilizaram a chama imersa no ar atmosférico, e envolvida por uma barreira de N2. Foi constatado que com a barreira de N2, a formação de fuligem na chama foi
aumentada, fato explicado pela falta de O2 disponível para intensificar o processo de oxidação.
Beltrame, A. et al. (2001) examinaram a influência do enriquecimento do ar com oxigênio em chamas em contracorrente de metano. Os autores verificaram que o aumento do teor de oxigênio no oxidante aumentou a formação da fuligem. A faixa de teor de oxigênio no oxidante testada no trabalho foi de 21 a 100%.
Santos et al. (2002) estudaram a influência do enriquecimento de oxigênio do ar de combustão em chamas difusas de acetileno. Os resultados sugerem que a utilização em conjunto da variação do teor de O2 da velocidade do ar pode representar uma ferramenta útil de controle da
fuligem, já que a depender da velocidade e do teor de O2 utilizado, a formação da fuligem pode
ser implementada ou não. Os níveis de enriquecimento com O2 utilizados foram de 2 e 4%.
Wang, L. et al. (2005) constataram que há um aumento da formação e oxidação da fuligem com o uso da OEC, causadas basicamente pelo aumento da temperatura de chama. Verificaram também que a radiação causada pela fuligem altera a estrutura da chama, diminui a sua temperatura e reduz substancialmente a emissão de NOx, especialmente na zona do topo da
Kumfer, et al. (2006) exploraram o critério do início da formação de fuligem (soot inception) em chamas laminares com escoamento paralelo enriquecidas com oxigênio. Nestes experimentos foram identificados a altura na chama em que a fuligem começa a se formar. Este início de formação é obtido pela identificação da luminosidade da chama causada pela fuligem.
Ergut, et al. (2007) conduziram a avaliação de produtos incompletos da combustão (PIC) emitidos numa chama laminar sob pressão atmosférica de etilbenzeno na vizinhança da formação de fuligem. O objetivo do estudo foi identificar o papel da razão de equivalência na evolução de hidrocarbonetos poliaromáticos (HPA) e de outros PIC como precursores da fuligem.
Kumfer, et al. (2008) estudaram em chamas difusas a combinação da OEC com a diluição de combustível na estrutura da chama e na identificação do início da formação da fuligem.
Santos et al. (2009) estudaram a influência do enriquecimento de oxigênio do ar de combustão em chamas difusas de acetileno. Os níveis de enriquecimento com O2 utilizados foram de 2 e 4%. Os resultados se demonstraram promissores para o controle da formação da fuligem com a OEC.
Avaliando os aspectos descritos, pode-se constatar que a OEC pode ser um mecanismo de controle da formação de fuligem. Com este controle, os processos de aquecimento por radiação podem ser monitorados, e por conseqüência, a formação de NOx controlada. Este aspecto pode ser um fator de uso da OEC, e suas peculiaridades devem ser melhor pesquisadas.